测量不确定度与测量误差.doc

(二) 测量不确定度、误差与最佳测量能力1 测量和测量不确定度的含义测量给出关于某物的属性，它可以告诉我们某物体有多重、或多长、或多热，即告诉我们量值有多大。测量总是通过某种仪器或设备来实现的，尺子、秒表、衡器、温度计等都是测量仪器。被测量的测量结果通常由两部分组成（一个数和一个测量单位），他们构成了量值。例如：人体温度37.2是量值，人体温度是被测量，37.2是数，是单位。对于比较复杂的测量，通过实际测量获得被测量的测量数据后，通常需要对这些数据进行计算、分析、整理，有时还要将数据归纳成相应的表示式或绘制成表格、曲线等等，亦即要进行数据处理，然后给出测量结果。检测/校准工作的核心是测量。在给出测量结果的同时，必须给出其测量不确定度。测量不确定度表明了测量结果的质量：质量愈高，不确定度愈小，测量结果的使用价值愈高；质量愈差，不确定度愈大，使用价值愈低。在检测/校准工作中，不知道不确定度的测量结果，实际上不具备完整的使用价值。测量不确定度是对测量结果存有怀疑的程度。测量不确定度亦需要用两个数来表示：一个是测量不确定度的大小，即置信区间的半宽；另一个是对其相信的程度，即置信概率（或称置信水准、置信水平、包含概率），表明测量结果落在该区间有多大把握。例如：上述测量人体温度为37.2，或加或减0.1，置信水准为95。则该结果可以表示为37.20.1，置信概率为95。这个表述是说，我们测量的人体温度处在37.1到37.3之间，有95的把握。当然，还有一些其他不确定度的方式。这里表述的是最终的扩展不确定度，它是确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望包含于此区间。2 测量结果及其误差和准确度2.1 测量结果测量结果被定义为“由测量所得到的赋予被测量的值。”它是被测量的最佳估计值，而不是真值。完整表述测量结果时，必须同时给出其测量不确定度。必要时还应说明测量所处的条件，或影响量的取值范围。测量结果是由测量所得到的值。必要时应表明它是示值、未修正测量结果或是已修正测量结果，还应表明是否己对若干个测量结果进行了平均，即它是由单次测量所得，还是由多次测量所得。对于前者，测得值就是测量结果；对于后者，测得值的算术平均值才是测量结果。在不会引起混淆的情况下，有时也称测得值为测量结果。2.2 测量结果的误差误差被定义为“测量结果与被测量真值之差。”一个量的真值，是在被观测时本身所具有的真实大小，只有完善的测量才能得到真值，而实际上任何测量都有缺陷，因此真值是一个理想化的概念。由于其值无法确切地知道，所以误差也无法准确地知道。由定义还可知误差是两个量值之差，即误差表示的是一个差值，而不是区间。当测量结果大于真值时误差为正值，当测量结果小于真值时误差为负值。因此，误差不应当以“”号的形式出现。误差按其性质，可以分为随机误差和系统误差两类。随机误差是“测量结果与在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值（总体均值）之差。” 而系统误差是“在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值（总体均值）与被测量的真值之差。”由于它们都是对应于无限多次测量的理想概念，而实际上只能用有限次测量的结果作为无限多次测量结果的估计值，因此可以确定的只是它们的估计值。误差经常用于已知约定真值的情况，例如经常用示值误差来表示测量仪器的特性。由误差、随机误差和系统误差的定义可知：误差测量结果一真值测量结果一总体均值总体均值一真值随机误差系统误差 测量结果真值误差真值随机误差系统误差图1示意了测量结果的随机误差、系统误差和误差之间的关系。由图可知，误差等于随机误差和系统误差的代数和。而且，由于误差是一个差值，因此任何误差的合成都应采用代数相加的方法。过去在对随机误差进行合成时，通常都采用方和根法。前后的区别在于随机误差定义的改变。1993年前，随机误差被定义为“在同一量的多次测量过程中，以不可预知方式变化的测量误差分量。”其大小用多次重复测量结果的实验标准差表示，因此当时随机误差是用一个“区间”来表示的。1993年国际上对“随机误差”一词的定义作了原则性修改，随机误差表示测量结果与无限多次测量所得结果的平均值（即总体均值或期望值）之差，因此随机误差已不再表示区间，而是表示“差值”，并且测量结果是真值、系统误差和随机误差三者的代数和。图1 测量误差示意图过去人们常常会误用“误差”这一术语，例如通过误差分析给出的结果往往是被测量值不能确定的范围，而不是真正的误差值。按定义，误差与测量结果有关，即不同的测量结果有不同的误差。合理赋予被测量的值各有其误差而并不存在一个共同的误差。必须区分误差和粗差。粗差往往是由测量过程中不可重复的突发事件引起的，造成测量结果中的异常值。显然，它们不可能被定量地描述，也不能成为测量不确定度的一个分量。在计算测量结果和进行测量不确定度评定之前必须按一定规则将粗差或异常值剔除。2.3 测量结果的准确度测量准确度被定义为“测量结果与被测量的真值之间的一致程度。”定义的注中指出，准确度是一个定性的概念，显然就不应该将其定量化。所谓“定性”，意味着可以说：准确度高低、准确度为0.25级、准确度为3等及准确度符合标准等，而不应该用具体的量值来表示准确度。例如，尽量不使用如下表示：准确度为0.25、16 mg、l6 mg及16 mg等，即准确度后不要和具体数值连用。定义的注中还指出，不要用精密度来代替准确度。其原因之一是不同领域对精密度一词的理解和用法各不相同，难以统一，因此在VIM第二版中未对“精密度”一词下定义。过去常将精密度理解为规定条件下各独立测量结果间的分散性，多次测量结果间的分散性可能很小，但并不表明测得值与真值之间的差值（误差）一定很小。在化学分析中“精密度”一词常常定义为“在规定条件下所获测量结果之间的一致程度” ，并用实验标准差定量表示。较大的实验标准差表示较低的精密度。此外，目前有些测量仪器的说明书或技术规范中所给出的准确度，实际上指的是仪器的最大允许误差或允许的误差限，而不是真正意义上的准确度，即这种表示方法不符合测量准确度的定义。3 测量结果的不确定度及其与误差的区别3.1 测量结果的不确定度测量不确定度被定义为：“表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。 注： （1）此参数可以是诸如标准差或其倍数，或说明了置信水准的区间的半宽度。 （2） 测量不确定度由多个分量组成。其中一些分量可用测量列结果的统计分布估算，并用实验标准差表征。另一些分量则可用基于经验或其它信息的假定概率分布估算，也可用标准差表征。（3） 测量结果应理解为被测量之值的最佳估计，而所有的不确定度分量均贡献给了分散性，包括那些由系统效应引起的（如，与修正值和参考测量标准有关的）分量。”根据定义，测量不确定度表示被测量之值的分散性，因此不确定度表示一个区间，即测量结果所分布的区间。这是测量不确定度和测量误差的最根本的区别，测量误差是一个差值，而测量不确定度是一个区间。测量不确定度是测量者合理赋予给测量结果的，因此测量不确定度将或多或少与评定者有关，例如与人的经验、知识范围和认识水平等有关。定义中的“合理”是指应该考虑各种因素对测量结果的影响所做的修正，特别是测量应处于统计控制状态下，即处于随机控制过程中。也就是说测量应在重复性条件或复现性条件下进行。为了表征这种分散性，测量不确定度可以用标准差，或其倍数，或说明了置信水准区间的半宽度来表示。由于测量结果会受多个因素影响，因此不确定度通常由多个分量组成。对于每一个分量都要评定其标准不确定度，评定方法分为A、B两类。A类评定是指用对观测列进行统计分析的方法进行的评定，其标准不确定度用实验标准差表征。所有与A类不同的其他评定方法均称为B类评定，可根据经验或其它信息的假定概率分布估算其不确定度，也可用标准差表征。而各种标准不确定度分量的合成，称为合成标准不确定度，以符号uc表示，它是测量结果的标准差的估计值。无论A类还是B类评定，他们的标准不确定度均以标准差表示，因此这两种评定方法得到的不确定度并无实质上的区别，只是评定方法不同而已。在对各分量合成时，两者的合成方法也相同。因此，过分认真地区分每一分量究竟属于A类还是B类评定,其实是没有必要的。当测量不确定度用标准差表示时，称为标准不确定度，用小写斜体英文字母u表示。由于标准差所对应的置信水准通常不高，在正态分布情况下仅为68.27，因此还规定可以用标准差的倍数来表示。这种不确定度称为扩展不确定度，用大写斜体英文字母U表示。于是可得标准不确定度和扩展不确定度之间的关系：U kuc式中，k称为包含因子（有时也称为覆盖因子）。扩展不确定度表示具有较大置信水准的半宽度。包含因子有时也写成kp的形式，它与标准不确定度uc(y)相乘后，得到对应于置信水准为p的扩展不确定度Upkp uc(y)。在实际使用中，往往希望知道测量结果的置信区间，因此还规定测量不确定度也可以用说明了置信水准的区间的半宽度a来表示。实际上它也是一种扩展不确定度，当规定的置信水准为p时，扩展不确定度可以用符号Up表示。当已知包含因子k时， U是从其中包含k个u出发来描述的扩展不确定度；当已知置信水准p时， Up是从该区间所对应的p出发来描述的扩展不确定度。两者从不同的角度出发来描述扩展不确定度，因此k与p之间应该存在某种联系，但他们之间的关系与被测量的分布有关。也就是说，只有在知道被测量分布的情况下，才可以由k确定p，或由p确定k。这就是为什么在测量不确定度评定中经常需要考虑被测量分布的原因。当置信水准p为0.99或0.95时，Up可以U99或U95表示。误差可以用绝对和相对两种形式来表示，不确定度也同样可以有绝对和相对两种形式。绝对不确定度与被测量有相同的量纲，相对不确定度的量纲为1或称为无量纲。被测量x的标准不确定度u(x)及其相对标准不确定度urel(x)之间的关系为：根据定义，测量不确定度是与测量结果相联系的参数，意指测量不确定度是一个与测量结果“在一起”的参数，在测量结果的完整表述中应该包括测量不确定度。既然不确定度是与测量结果相联系的参数，因此一般不用它来表示测量仪器的特性，只有用仪器得到的测量结果才具有不确定度。测量仪器的特性可以用示值误差或最大允许误差等术语来描述，一般不宜说“测量仪器的不确定度”或“计量标准的不确定度”。可以将测量仪器或计量标准的不确定度，理解为由他们所提供的或复现的量值的不确定度。对于经过校准并已知其示值误差的测量仪器，有时也简单地将其示值误差的不确定度称为测量仪器的不确定度。3.2 测量不确定度和测量误差的主要区别鉴于对误差一词的多种理解和对测量不确定度的陌生，区分其概念上的主要差别是必要的（详见表1）。 从定义上看,误差表示测量结果对真值的偏离，它是一个确定的值。不确定度表明被测量之值的分散性，它以分布区间的半宽表示，表示一个区间或范围。 按出现于测量结果中的规律，误差通常分为随机和系统两类，他们都是基于无限多次测量所得总体均值的理想概念。由于实际上只能进行有限次测量，因此只能用有限次测量的平均值即样本均值，作为总体均值的估计值。而不确定度则是按评定方法分成A和B两类，他们与“随机误差”和“系统误差”的分类之间不存在简单的对应关系。“随机”和“系统”表示两种不同时性质，而“A类”和“B类”表示两种不同的评定方法。为避免误解和混淆，现已不再使用“随机不确定度”和“系统不确定度”这两个术语。在进行测量不确定度评定时，一般不必区分各分量的性质；若需区分，应表述为“由随机效应引入的分量”和“由系统效应引入的分量”。 误差的概念与真值相联系，系统误差和随机误差又与无限多次测量的平均值有关，他们都是理想化的概念，因而可操作性较差。不确定度则可以根据实验、资料、经验等信息进行评定，从而可以定量确定。 误差表示两个量的差值，当测量结果大（小）于真值时误差为正（负）值，因此不应当以“”号的形式出现。不确定度取方差的正平方根，恒为正值。 误差是一个确定的值，对各误差分量合成时用代数相加的方法。不确定度表示一个区间，当各不确定度分量彼此独立或不相关时，用方和根法进行合成，否则应考虑加入相关项。 已知系统误差的估计值时，可以对测量结果进行修正，得到已修正的测量结果。但不能用不确定度对测量结果进行修正。对已修正测量结果进行不确定度评定时，应考虑修正不完善引入的不确定度分量。 不确定度表示重复性或复观性条件下测量结果的分散性，仅与测量方法（包括测量原理、测量仪器、测量环境、测量程序、测量人员以及数据处理方法等）有关，而与具体测得的数值大小无关。测量结果的误差仅与测量结果以及真值有关，而与测量方法无关。例如：用钢板尺测量某物体长度所得的测量结果为10.0mm，若为测得更准确一些而改用卡尺时所得的测量结果仍为10.0 mm，这时也许有人会认为后者的测量误差更小一些，但实际上两者的测量结果相同、真值相同，从而他们的测量误差必然也相同。两者的测量不确定度则是不同的，因为用这两种方法分别进行多次重复测量所得测量结果的分散性是不同的。 测量误差和测量不确定度都可用来描述测量结果，但两者在数值上并无确定的关系。测量结果可能非常接近于真值，此时其误差很小；但由于对不确定度来源认识不足，评定得到的不确定度可能很大。也可能测量误差实际上较大，但由于分析估计不足，评定得到的不确定度却可能很小，例如当存在尚未发现的较大系统误差时。 由于误差等于测量结果减去被测量的真值，因此只有在己知约定真值的条件下才可能通过测量结果得到误差，因此误差是由测量得到的，而不是由分析评定得到的。而不确定度则可以通过分析评定得到，有时还得辅以必要的实验性测量。表1 测量误差与不确定度的主要区别序号内容测量误差测量不确定度1定义表明测量结果偏离真值，是一个确定的值。表明被测量之值的分散性，是一个区间。用标准偏差，标准偏差的倍数，或说明了置信水准的区间的半宽度来表示。2分类按出现于测量结果中的规律，分为随机误差和系统误差，它们都是无限多次测量的理想概念。按是否用统计方法求得，分为A类评定和B类评定。它们都以标准不确定度表示。在评定测量不确定度时，一般不必区分其性质。若需要区分时，应表述为“由随机效应引入的测量不确定度分量”和“由系统效应引入的不确定度分量”。3可操作性由于真值未知，往往不能得到测量误差的值。当用约定真位代替真值时，可以得到测量误差的估计值。测量不确定度可以由人们根据实验、资料、经验等信息进行评定，从而可以定量确定测量不确定度的值。4数值符号非正即负（或零），不能用正负（）号表示。是一个无符号的参数，恒取正值。当由方差求得时，取其正平方根。5合成方法各误差分量的代数和。当各分量彼此独立时用方和根法合成，否则应考虑加入相关项。6结果修正己知系统误差的估计值时，可以对测量结果进行修正，得到已修正的测量结果。不能用测量不确定度对测量结果进行修正。对已修正测量结果进行不确定度评定时，应考虑修正不完善引入的不确定度分量。7结果说明误差是客观存在的，不以人的认识程度而转移。误差属于给定的测量结果，相同的测量结果具有相同的误差，而与得到该测量结果的测量仪器和测量方法无关。测量不确定度与人们对被测量、影响量、以及测量过程的认识有关。合理赋予被测量的任一个值，均具有相同的测量不确定度。8实验标准差来源于给定的测量结果，它不表示被测量估计值的随机误差。来源于合理赋予的被测量之值，表示同一观测列中，任一个估计值的标准不确定度。9自由度不存在。可作为不确定度评定可靠程度的指标。10置信概率不存在当了解分布时，可按置信概率给出置信区间。4 测量仪器的误差、允差、准确度和不确定度4.1 测量仪器的误差、修正值和允差测量仪器的性能可以用示值误差和最大允许误差来表示。测量仪器的误差是其示值误差的简称，被定义为“测量仪器的示值与对应输入量的真值之差”。同型号的不同仪器，他们的示值误差一般是不同的。一台仪器的示值误差必须通过检定或校准才能获得，正因为如此，才需要对每一台仪器进行检定或校准。已知某仪器的示值误差后，就可对其测量结果进行修正，示值误差反号就是该仪器的修正值。修正后结果的不确定度就与修正值本身的不确定度有关，也就是说，与检定或校准所得到的示值误差的不确定度有关。测量仪器的允差是其最大允许误差的简称，被定义为“对给定测量仪器，规范、规程等所允许的误差极限值。” 它是由各种技术性文件，诸如国际标准、国家标准、检定规程、技术规范或仪器说明书等规定的，该型号仪器允许误差的极限值，也称为允许误差限。最大允许误差可简写为MPE或mpe，它不是通过检定或校准得到的，而是制造厂对该型号仪器所规定的示值误差的允许范围。显然，它并不是某台仪器实际存在的误差，因而不能作为修正值使用。测量仪器的MPE可以从仪器说明书中得到，其数值通常带有“”号。一般可以用绝对误差、相对误差、引用误差或他们的组合形式表示。例如，可以表示为0.1V，1.5 m，1，1106满度，（0.l读数0.1ns）等。MPE本身不是测量不确定度，它给出仪器示值误差的合格区间，因而可以作为评定测量不确定度的依据。当直接使用仪器的示值作为测量结果时，由仪器引入的标准不确定度分量，可以根据该型号仪器的MPE按B类评定方法得到。4.2 测量仪器的准确度测量仪器的准确度被定义为“测量仪器给出接近于真值的响应能力”。在定义的注中指出，准确度是定性的概念。目前不少仪器说明书上给出的定量表示的准确度（通常还带有“”号），实际上是该型号仪器的最大允许误差。测量仪器的准确度等级是指“符合一定的计量要求，使误差保持在规定极限以内的测量仪器的等别、级别” 。 准确度等级通常按约定注以数字或符号，并称为等级指标。通常“等”用于标准仪器，而“级”用于工作仪器。4.3 测量仪器的不确定度不确定度是一个与测量结果相联系的参数，也就是说只有测量结果才有不确定度。因此应尽量回避“测量仪器的不确定度”这种说法，在VIM第二版中也没有对“测量仪器的不确定度”下过定义。但如果测量仪器已经过校准，则我们有时也将由校准得到的仪器示值误差的不确定度简称为仪器的不确定度。在不会引起误解的情况下，也可将测量仪器的不确定度理解为由仪器所提供或复现的量值的不确定度。计量标准装置的情况较为复杂，它可以简单地是一台测量仪器或量具，也可能由一系列测量仪器组合而成(此时常称它为“测量系统” )。测量不确定度是用来描述测量结果的，因此也尽量回避“计量标准装置的不确定度”这种说法。但如果提到“计量标准装置的不确定度”，我们可以将它理解为计量标准装置所提供或复现的标准量值的不确定度。当用计量标准装置对被测对象进行检定、校准或测量时，由它本身所引入的不确定度仅仅是测量结果不确定度的分量之一。因此也可以将“计量标准装置的不确定度”理解为在测量结果的不确定度中，由计量标准装置所引入的那部分不确定度分量。5 最佳测量能力及其与不确定度的区别5.1 最佳测量能力欧洲实验室认可合作组织（EA）于1999年2月发布了EA-4/02校准中的测量不确定度，该文第1.3条关于最佳测量能力表述如下：“实验室在其认可范围内，当对近乎理想的测量标准（用于定义、实现、保存或复现某量的单位或其一个值或多个值）进行近乎常规的校准时，或当对近乎理想的测量仪器（用于测量某量）进行近乎常规的校准时，可以达到的最小测量不确定度。最佳测量能力的评定应建立在本文件描述的方法的基础之上，通常应得到实验证据的支持或确认。”“常规校准”意味着，实验室在其认可时所进行的校准工作,应能达到规定的例行的（日常的）能力。而“近乎理想”意味着，最佳测量能力不应取决于被校准测量仪器的特性，仪器对测量不确定度不产生显著的影响。但同时，这种仪器又是可以获得的。如果实验室可获得的最理想仪器对测量不确定度也有贡献，则这种贡献应包括在最佳测量能力中，并作出陈述：最佳测量能力适用于这一类型仪器的校准。除了